(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリップチップ型の発光素子で、
第１の光を発光する発光層を含むＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造と、
前記ＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造の上に設けられる透明電極と、
前記透明電極の上に設けられ、前記第１の光によって励起されて、概第１の光より長波長の第２の光に変換する蛍光体層と、
前記蛍光体層上に設けられ、前記第１の光と第２の光を反射する反射層と、
前記反射層を前記蛍光体層との間で挟むように、前記反射層及び前記蛍光体層の上に設けられる絶縁層と、を有し、
前記第１の光は青色光であり、前記第２の光は黄色光であり、
前記発光層と前記反射層との間に蛍光体層が配置されて、前記第１の光と前記第２の光との混合光により白色光を発光することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造は前記発光層をｐ側及びｎ側層により挟んだ構造であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記絶縁層上に前記透明電極と電気的に接続する接合電極を備えることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記絶縁層内に前記透明電極と前記接合電極とを接合する配線が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造は、前記ｐ側層からｎ側層の表面まで除去した開口部を有し、前記蛍光体層は該開口部の内部にも形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体を含ませたＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光強度の強い紫外光や青色光を発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ１−Ｘ−ＹＩｎＸＧａＹＮ、０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた発光素子が実用化されている。窒化ガリウム系化合物半導体は屈折率が高いため、これを封止するエポキシ樹脂やシリコン樹脂等の封止材と、この発光光と、これを励起光とする蛍光体による発光素子の発光光より長波長の波長変換光との混色光により、白色光を発光する発光装置が照明や液晶ディスプレイのバックライトに利用されている。このような発光素子から出光された光を蛍光体により波長変換して発光装置の外部に取り出す場合、一般に、発光素子を被覆する樹脂等の封止部材に蛍光体を混入させる。
【０００３】
一般的に、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率は、封止部材と比較して屈折率が極めて高い。従って、封止部材に発光光が取り出されず、発光素子内で発光光が篭る、所謂、篭り光の割合が高い。この篭り光により、発光層による発光光の吸収が生じ、発光素子の光取り出し効率が低下していた。このような現象を生じさせないため、発光層に吸収されない長波長の光に発光光をいち早く変換することを目的として、発光素子の内部に蛍光体層を形成する技術が提案されている。
【０００４】
そのような技術の例として、発光素子の半導体層の表面を保護するための保護膜に蛍光体を含有させる（例えば、特許文献１参照。）技術や、発光素子の半導体層に溝を設け、その溝内を充填する蛍光体層を形成する（例えば、特許文献２、３参照。）技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０８７７７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２０４８３２号公報
【特許文献３】特開２００２−２４３７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の技術により、発光素子の光取り出し効率は向上する。しかしながら、白色を得る程度の蛍光体を発光素子の内部に形成するためには、発光素子に設ける蛍光体層の膜厚や溝の大きさを十分にとる必要があり、コストがかかる。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、発光素子に形成する蛍光体層の膜厚や溝を小さくでき、且つ、白色を得られる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は、第１の光を発光する発光層を含むＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造と、前記第１の光に励起されて、該第１の光より長波長の第２の光に変換する蛍光体層と、前記第１の光と第２の光を反射する反射層とを有し、前記発光層と前記反射層との間に蛍光体層が配置されて、前記第１の光と前記第２の光との混合光により白色光を発光することを特徴とする発光素子により解決される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発光素子は、発光層と反射層との間に蛍光体層が配置されているので、発光層から発光した第１の光が蛍光体層の入射時に第２の光に変換されなくとも、反射層により反射されて、再度蛍光体層に入射した際に変換される場合があるため、蛍光体による励起が促進される。そのため、通常、発光素子内に蛍光体層を形成する場合と比較して、その膜厚を薄くしても白色光を得ることができる。従って、蛍光体量を少量化によるコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の平面図を示している。
【図３】図３は、各々、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図であり、図３（ａ）は図２中のＡ−Ａ断面図を示し、図３（ａ）は図２中のＢ−Ｂ断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、添付の図面に基づいて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の断面図を示している。
本実施の形態に係る発光素子１０は、図１に示すように、サファイア基板１１と、サファイア基板１１上に設けられるバッファ層１２と、バッファ層１２上にバッファ層１２側からｎ側コンタクト層、ｎ側クラッド層の順に設けられるｎ側層１３と、ｎ側層１３上に設けられる発光層１４と、発光層１４上に発光層１４側からｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層の順に設けられるｐ側層１５を含む半導体積層構造を備える。
【００１３】
また、発光素子は、ｐ側コンタクト層上に設けられる透明性を有するｐ側コンタクト電極２１と、ｐ側コンタクト電極２１上の隅部に設けられるｐ側バッファ電極２２とを備えている。さらに、発光素子１０は、隅部にｐ側コンタクト層から少なくともｎ側コンタクト層の表面まで除去されることにより露出したｎ側コンタクト層に設けられるｎ側電極２３と、これらの表面を覆い蛍光体を有する蛍光体層３１と、蛍光体層の表面を覆う絶縁層３３を有する。そして、蛍光体層３１と絶縁層３３にはｐ側バッファ電極２２とｎ側電極２３が露出するようにドライエッチングにより開口部が設けられ、開口部を充填してｐ側バッファ電極２２とｎ側電極２３と接合し、絶縁層の表面の所定領域を覆うｐ側接合電極及２５ａ及びｎ側接合電極２５ｂが形成されている。
【００１４】
また、蛍光体層３１と絶縁層３３との間に反射層３２を備える。尚、反射層３２は、ｐ側接合電極２５ａ及びｎ側接合電極２５ｂが充填される開口部に接しないように、これらの近傍部分を除くように設けられている。この反射層３２により発光層１４から発光される発光光及び蛍光体層３１により波長変換される波長変換光をサファイア基板の方向に反射するフリップチップ型の発光素子となっている。
【００１５】
半導体積層構造を構成するバッファ層１２と、ｎ側層１３、発光層１４、及びｐ側層１５はそれぞれ、窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ１−Ｘ−ＹＩｎＸＧａＹＮ、０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなる。
【００１６】
本実施形態においては、バッファ層１２は、スパッタ法、又はＭＯＣＶＤ法により形成されたＡｌＮからなる。そして、ｎ側層１３、発光層１４、ｐ側層１５はＭＯＣＶＤ法により形成される。ｎ側層１３を構成するｎ側コンタクト層及びｎ側クラッド層は、各々、ｎ−ＧａＮ及びノンドープＩｎＧａＮ／ｎ−ＧａＮの超格子構造により形成される。ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃを用いることできる。発光層２５は、ノンドープＩｎＧａＮからなる井戸層とノンドープＧａＮからなる障壁層とを含む多重量子井戸構造により形成されている。ｐ側層を構成するｐ側クラッド層及びｎ側コンタクト層は、各々、ｐ−ＩｎＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮの超格子構造及びｎ−ＧａＮにより形成されている。ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることができる。
【００１７】
ｐ側コンタクト電極２１は透明導電酸化物から形成される。例えば、透明導電酸化物は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）やＩＣＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｅｒｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）である。また、ｎ側電極２３はＶ／Ａｌからなり、ｐバッファ電極はＮｉ／Ａｕからなる。これらのｐ側コンタクト電極２１、ｎ側電極２３、及びｐ側バッファ電極２２は蒸着法により形成される。
【００１８】
蛍光体層３１は、発光層１４が発する青色光を黄色光に波長変換するＹＡＧ系蛍光体（（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ）やＢＯＳ系蛍光体（（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ）等の蛍光体を含んで形成される。蛍光体層３１は蛍光体単体で形成しても良いし、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体を含ませて形成しても良い。蛍光体層３１は蒸着法、スパッタ法、又は蛍光体層を含有させた有機溶媒又はＳｉ等のアルコキシドを用いたスピンオンコートにより形成される。
【００１９】
反射層３２は、Ａｌ、Ａｇ、又はこれらの合金からなり、蒸着法により形成され、蛍光体層上に開口部に露出しないようにパターニングされている。
絶縁層３３は、反射層を蛍光体層との間で挟むように反射層及び蛍光体層上に設けられる。絶縁層は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体からなり、プラズマＣＶＤ法により形成される。
【００２０】
ｐ側接合電極２５ａ及びｎ側接合電極２５ｂは各々、その表層が発光素子１０を搭載基板に接合するための接合層として機能するＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等の共晶合金により形成され、その下層がＳｎの拡散を防止するための拡散バリア層として機能するＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔの単層構造又はこれら２種以上の積層構造となっている。ｐ側接合電極２５ａ及びｎ側接合電極２５ｂは蒸着法により形成される。そして、ｐ側接合電極２５ａ及びｎ側接合電極２５ｂに電圧が印加されると、ｐ側バッファ電極２２を介してｐ側接合電極２５ａと電気的に接続されたｐ側コンタクト電極２１と、ｎ側接合電極２５ｂと電気的に接続されたｎ側電極２３から半導体積層構造に電流が流れる。これにより、発光層から青色光が発光し、その一部が蛍光体層により黄色光に変換されて、青色光と黄色光の混合光により発光素子１０は白色光を発光するようになっている。
【００２１】
以上のように構成された本実施の形態の発光素子１０では、発光層１４から発光した青色光が蛍光体層３１の入射時に黄色光に変換されなくとも、反射層３１により反射されて、再度蛍光体層３１に入射した際に変換される場合があるため、蛍光体による励起が促進される。そのため、通常、発光素子内に蛍光体層を形成する場合と比較して、その膜厚を薄くしても白色光を得ることができる。従って、蛍光体量を少量化によるコストの低減を図ることができる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の平面図を示している。また、図３は、各々、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図であり、図３（ａ）は図２中のＡ−Ａ断面図を示し、図３（ａ）は図２中のＢ−Ｂ断面図を示している。
【００２３】
本実施の形態の発光素子５０は、第１の実施の形態の発光素子と比較し、（１）サファイア基板が除去されている点、（２）ｐ側接合電極及びｎ側接合電極と、ｐ側バッファ電極及びｎ側電極の配置と異なる所望の配置にするためのｐ側配線及びｎ側配線を設けられている点、（３）ｎ側配線を形成する開口部の内部に蛍光体層を形成している点、において主に異なる。
【００２４】
サファイア基板の除去には、サファイア基板側からレーザー光を照射することにより行う。レーザーの波長は、サファイアを透過し、ｎ型コンタクト層に吸収される波長であればよく、たとえば波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザーや、波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザーなどを用いる。その後、サファイア基板１１４の除去により露出したｎ型コンタクト層の表面にＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液にウェハを浸漬することで、ｎ型コンタクト層の表面の領域に発光層から発光される青色光の波長よりピッチが小さい凹凸１１３を形成する。凹凸の形成にはＴＭＡＨ以外にもＫＯＨやＮａＯＨ等の水溶液を用いることもできる。
【００２５】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、ｐ側配線７４ａ及びｎ側配線７５ｂは、各々、蛍光体層８２上に形成された第１の絶縁層上８３ａの同一平面にＴｉ／Ａｌ／Ａｕからなり、各々、規則的に配置された複数のｐ側バッファ電極７２と複数のｎ側電極７３の上面を露出させる蛍光体層８１に設けられた開口部を充填してｐ側バッファ電極７２とｎ側電極７３と接合するように形成されている。尚、ｐ側コンタクト電極７１を形成し、ｐ側コンタクト電極７１からｎ側コンタクト層の表面まで除去した開口部により露出させたｎ側コンタクト層に設けられるｎ側電極７３を形成した後、蛍光体層８１を発光素子の上面全面に形成している。そして、蛍光体層の上に第１の絶縁層を形成し、上記の開口部より開口径の小さく第１の絶縁層からｎ側電極の上面までを除去する複数の開口部を形成したため、ｎ側電極７３とｎ側配線７４ｂとを接合する開口部の内周面には蛍光体層８１を残すようにしている。
【００２６】
ｐ側配線７４ａは、図２に示すように、発光素子５０の平面視にて、発光素子５０の外周近傍であって、当該外周に沿って設けられる外周部と、外周部の一辺から対向する対辺に向けて伸びる複数の細線部を有する。細線部は、長手方向において上記対辺に接しない範囲でそれぞれ略同一の長さを有しており、幅方向において略等しい間隔をおいて配置される。
【００２７】
ｎ側配線７４ｂは、図２に示すように、発光素子の平面視にて、ｐ側配線の外周部の内側であって、ｐ側配線の複数の細線部と垂直な方向に伸び、外周部の上記対辺近傍に配置される辺部と、辺部から上記一辺に向けて伸びる複数の細線部とを有する。複数の細線部はそれぞれ、外周部とｐ側配線の細線部との間、若しくは２本のｐ側配線の細線部の間に、平面視にて、最近接の外周部及び最近接のｐ側配線の細線部からの距離が略同一になる位置に配置される。従って、ｐ側配線の複数の細線部とｎ側配線の複数の細線部とは、平面視にて、互い違いに配置される。
【００２８】
そして、第１の絶縁層８３ａと、ｐ側配線７４ａ及びｎ側配線７４ｂを覆うように第２の絶縁層８３ｂが形成され、ｐ側配線７４ａ及びｎ側配線７４ｂの所望の位置に開口部が形成され、ｐ側配線７４ａ及びｎ側配線７４ｂと接合するように開口部を充填してｐ側接合電極７５ａ及びｎ側接合電極７５ｂが形成されている。
【００２９】
以上のように構成された本実施の形態の発光素子５０では、第１の実施例の効果と同様に反射層８２により蛍光体による励起が促進されるため、蛍光体層８１の膜厚や溝を小さくしても白色光を得ることができる。従って、蛍光体量を少量化によるコストの低減を図ることができる。
【００３０】
また、サファイア基板を除去し、除去して露出したｎ側コンタクト層に発光層５４から発光される青色光の波長よりピッチの小さい凹凸により粗面化したので、サファイア基板を除去しない場合に、サファイア基板側に発光された光であって、半導体積層構造とサファイア基板との界面で反射された光や、半導体積層構造からサファイア基板に入射し、再度、半導体積層構造に戻った光等からなる篭り光となっていた光を効率的に凹凸面から発光素子の外部に取り出すことができる。
【００３１】
更に、ｐ側接合電極７５ａ及びｎ側接合電極７５ｂと、ｐ側バッファ電極７２及びｎ電極７３とを各々接続するｐ側配線７４ａ及びｎ側配線７４ｂを設けたので、ｐ側接合電極７５ａ及びｎ側接合電極７５ｂ、ｐバッファ電極７２及びｎ側電極７３の配置に対する設計の自由度が向上する。
【００３２】
（その他の実施の形態）
本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記の実施の形態では、青色光を発光する発光層を有する発光素子に対し、青色光を黄色光に変換する黄色蛍光体を用いたが、青色光を緑色若しくは黄色に変換する蛍光体と赤色蛍光体を用いて、白色光を発光させてよい。
また、青色光を発光する発光層を有する発光素子を用いずに、紫外光若しくは紫光を発光する発光層を有する発光素子を用いて白色光を発光させてもよい。この場合、蛍光体として、これらの光を励起光とする青色蛍光体、緑色及び／又は黄色蛍光体、赤色蛍光体を用いることが好ましい。
更に、上記の実施の形態では、ｐ側バッファ電極及びｎ側電極を異なる材料から形成したが、これらの電極を同時形成することにより、同じ材料としてもよい。これにより、発光素子の製造工程の簡略化を図ることができる。電極材料としては、Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の発光素子は、白色光を効率よく生成できるため、屋内外照明やバックライト等、白色光を用いる種々のアプリケーションに適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０、５０  発光素子
１１        サファイア基板
１２        バッファ層
１３、５３  ｎ側層
１４、５４  発光層
１５、５５  ｐ側層
２１、７１  ｐ側コンタクト電極
２２、７２  ｐ側バッファ電極
２３、７３  ｎ側電極
７４ａ      ｐ側配線
７４ｂ      ｎ側配線
２５ａ、７５ａ  ｐ側接合電極
２５ｂ、７５ｂ  ｎ側接合電極
３１        蛍光体層
３２        反射層
３３        絶縁層
【図１】
0005531575.tif 000002
【図２】
0005531575.tif 000003
【図３】
0005531575.tif 000004